Experimentação segura em levitação óptica de gotículas carregadas usando laboratórios remotos

Resumo

Levitação óptica é um método para levitando objetos dieléctricos micrômetro de tamanho usando luz laser. Utilizar computadores e sistemas de automação, uma experiência sobre levitação óptica pode ser controlado remotamente. Aqui, apresentamos um sistema de levitação óptica remotamente controlado que é utilizado tanto para ensino e fins de pesquisa.

Resumo

O trabalho apresenta um experimento que permite o estudo de muitos processos físicos fundamentais, tais como pressão de fóton, a difração de luz ou o movimento de partículas carregadas em campos elétricos. Nesta experiência, um feixe de laser focalizado apontando para cima levitar gotículas de líquido. As gotículas são levitadas pela pressão de fótons do feixe de laser focalizado que equilibra a força gravitacional. O padrão de difração criado quando iluminada com luz laser pode ajudar a medir o tamanho de uma gotícula presa. A carga da gota presa pode ser determinada através do estudo de seu movimento quando é aplicado um campo elétrico dirigido verticalmente. Existem várias razões que motivam esta experiência para ser controlado remotamente. Os investimentos necessários para a instalação excede a quantidade normalmente disponível em laboratórios de ensino de graduação. O experimento requer um laser de classe 4, que é prejudicial para ambos, pele e olhos, e o experimento utiliza tensões que são prejudiciais.

Introdução

O fato de que a luz transporta momento foi primeiramente sugerido por Kepler quando ele explicou por que a cauda de um cometa aponta sempre para longe do sol. O uso de um laser para mover e pegar objetos macroscópicos foi primeiramente relatado por r. Ashkin e J. M. Dziedzic em 1971 quando eles demonstraram que é possível levitar micrômetro tamanho dieléctrica objetos¹. O objeto preso foi exposto a um ascendente dirigido o feixe de laser. Parte do feixe de laser foi refletida no objeto que impôs uma pressão de radiação sobre ele que era suficiente para contrabalançar a gravidade. A maioria da luz, no entanto, foi refratada através do objeto dielétrico. A mudança da direção da luz faz com que um recuo do objeto.  O efeito líquido de recuo para uma partícula colocado em um perfil de feixe Gaussiano é que a gota se moverá para a região de maior intensidade de luz². Portanto, é criado um cargo de armadilhagem estável no centro do feixe de laser em uma posição ligeiramente acima do ponto focal onde a pressão de radiação equilibra gravidade.

Desde que o método de levitação óptica permite que objetos pequenos ser preso e controlado sem estar em contato com quaisquer objetos, diferentes fenômenos físicos podem ser estudados usando um droplet levitated. No entanto, o experimento apresenta duas limitações para ser reproduzido e aplicado em escolas ou universidades, uma vez que nem todas as instituições podem pagar o equipamento necessário e desde que existem certos riscos na operação hands-on do laser.

Laboratórios remotos (RLs) oferecem acesso remoto on-line para o equipamento de laboratório real para atividades experimentais. Síndrome das pernas inquietas apareceu pela primeira vez no final dos anos 90, com o advento da Internet, e a sua importância e uso têm crescido ao longo dos anos, como a tecnologia tem evoluído e algumas das suas principais preocupações foram resolvidos³. No entanto, o núcleo de RLs permaneceu o mesmo ao longo do tempo: o uso de um dispositivo eletrônico com conexão de Internet para acesso a um laboratório e controlar e monitorar um experimento.

Devido à sua natureza remota, síndrome das pernas inquietas pode ser usado para atividades experimentais para oferecer aos usuários sem expô-los para os riscos que podem ser associados com a realização de experiências. Essas ferramentas permitem que os alunos passam mais tempo trabalhando com equipamentos de laboratório e, portanto, desenvolvem melhores habilidades de laboratório. Outras vantagens de RLs são que eles 1) facilitam para pessoas com deficiência executar o trabalho experimental, 2) expandir o catálogo das experiências oferecidas aos alunos, através da partilha de RLs entre universidades e 3) aumentar a flexibilidade no agendamento de trabalhos de laboratório, uma vez que pode ser realizada de casa quando um laboratório de físico está fechado. Finalmente, RLs também oferecem treinamento em funcionamento sistemas controlados por computador, que hoje em dia são uma parte importante da investigação, desenvolvimento e indústria. Portanto, RLs só não podem oferecer uma solução para ambas as questões financeiras e de segurança que laboratórios tradicionais presentes, mas também oferecem oportunidades experimentais mais interessantes.

Com a instalação experimental utilizada neste trabalho, é possível medir o tamanho e cobrar de uma gotícula presa, investigar o movimento de partículas carregadas em campos elétricos e analisar como uma fonte radioativa pode ser usada para alterar a carga em uma gota⁴ .

No menu configuração experimental apresentada, um poderoso laser é dirigido para cima e focado para o centro de uma célula de vidro⁴. O laser é um 2 W 532 nm diodo-bombeado laser de estado sólido (CW), onde geralmente cerca de 1 Watt (W) é usado. A distância focal da lente captura é 3,0 cm. gotículas são geradas com um dispensador de gotículas de piezo e descem através do feixe de laser, até que eles estão presos logo acima o foco do laser. Interceptação ocorre quando a força do ascendente dirigido a pressão de radiação é igual à força gravitacional dirigida para baixo. Não há nenhum limite superior de tempo observada para a captura. O maior tempo que esteve preso uma gotícula é 9 horas, depois disso, a armadilha estava desligada. A interação entre a gota e o campo de laser produz um padrão de difração, que é usado para determinar o tamanho de gotas.

As gotas emitidas a partir do dispensador consistem em 10% de glicerol e 90% de água. A parte da água evapora rapidamente, deixando uma gotícula de glicerol tamanho de 20 a 30 µm na armadilha. O tamanho máximo de uma gota que pode ser presa é cerca de 40 µm. Não há nenhuma evaporação observada após cerca de 10 s. Neste ponto, toda a água deve ter evaporado. O tempo longo armadilhagem sem qualquer evaporação observável indica que não há absorção mínima e que a gota é, essencialmente, à temperatura ambiente. A tensão superficial das gotas torna esférico. A acusação das gotas geradas pelo distribuidor da gota depende das condições ambientais no laboratório, onde eles mais comumente tornam-se carregada negativamente. A parte superior e parte inferior da célula captura consiste de dois eletrodos colocados 25 mm de distância. Eles podem ser usados para aplicar uma vertical corrente elétrica (DC) ou campo de corrente alternada (AC) sobre a gota. O campo elétrico não é forte o suficiente para criar quaisquer arcos mesmo 1000 volts (V) é aplicada sobre os eletrodos. Se for usado um campo DC, a gota se move acima ou para baixo no feixe de laser para uma nova posição de equilíbrio estável. Se um campo de AC é aplicado em vez disso, a gota oscila em torno de sua posição de equilíbrio. A magnitude das oscilações varia de acordo com o tamanho e a carga da gota, a intensidade do campo elétrico e a rigidez da armadilha do laser. Uma imagem da gota é projectada por um detector sensível à posição (PSD), que permite aos usuários controlar a posição vertical da gota.

Este trabalho apresenta uma iniciativa bem sucedida de modernizar o ensino e a pesquisa usando tecnologias da informação e comunicação através de um inovador RL na levitação óptica de gotículas carregadas que ilustra os conceitos modernos de física. A Figura 1 mostra a arquitetura da RL. A tabela 1 mostra as possíveis lesões que lasers podem causar de acordo com sua classe; Nesta configuração, um laser de classe IV tem sido usado, qual é o mais perigoso. Pode operar com até 2.0 W de radiação laser visível, assim a segurança fornecida pela operação remota é claramente apropriada para esta experiência. A levitação óptica de gotículas carregadas de RL foi apresentado no trabalho de D. Galan et al . em 2018⁵. Neste trabalho, está demonstrado que ele pode ser usado on-line por professores que querem apresentar seus alunos modernos conceitos da física sem ter que se preocupar com os custos, a logística ou as questões de segurança. Estudantes acesso a RL através de um portal web chamado Universidade rede de laboratórios interativos (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) em que eles podem encontrar toda a documentação sobre a teoria relacionada com a experiência e o uso de experimental instalação por meio de um aplicativo da web. Usando o conceito de um laboratório remoto, trabalhos experimentais em física moderna que requer equipamentos caros e perigosos podem ser disponibilizados para novos grupos de alunos. Além disso, melhora a aprendizagem formal, fornecendo estudantes tradicionais, com mais tempo de laboratório e experiências que são normalmente inacessíveis fora de laboratórios de pesquisa.

Protocolo

Nota: O laser utilizado neste experimento é um laser de classe IV, entregando até 1 W de radiação laser visível. Todo o pessoal presente no laboratório do laser deve realizaram treinamento de segurança do laser adequado.

1. hands-on protocolo Experimental

1. Segurança
   1. Certifique-se de que todos no laboratório está ciente que um laser será ativado.
   2. Ligue a lâmpada de aviso do laser no laboratório.
   3. Verifique se nenhum relógio ou metal anéis estão desgastados e põe os óculos de protecção laser.
   4. Verifica que as quatro placas, mais próximas ao experimento de absorção de luz, estão no lugar.
   5. Verifique o espaço entre o laser e a placa absorvente para os obstáculos. Verifique também que o espaço entre a célula de captura e o bloco do feixe é livre de objetos.
2. Prepare o software e a experiência.
   1. Ligue o computador de laboratório. Espere até que esteja pronto para operar.
   2. Abra a pasta de Inicialização remota do desktop e clique no ícone Main1806.vi. Execute o programa pressionando a seta no canto superior esquerdo.
      Observação: Isso abre o programa de controle (por exemplo, Labview) mostrado na Figura 2 e Figura 3 e liga-se automaticamente a fonte de alimentação para o laser e o campo elétrico. Todos os botões de agora em diante referenciados nesta seção referem-se àqueles que aparecem essas figuras.
   3. Em "variáveis EJS", marque a caixa de seleção chamada "Laser Enable2 remoto" poder e conjunto "laser current2" 25 para que o slide de potência do laser para a direita acaba em 25%. Observe o feixe de laser, usando óculos de alinhamento do laser para certificar-se de que o feixe termina no despejo de feixe. Caso contrário, ajuste a posição do despejo feixe.
   4. Verificar Drops2 e mova a ponta do distribuidor da gota, até que as gotas estão caindo o feixe de laser. Fazer isso, ajustando o estágio da tradução marcado com a letra A na Figura 4. Para esse efeito, vire ligeiramente os parafusos de condução na base da fase de tradução até a posição desejada é atingida.
      1. Se estão vindo sem gotas, aplicar alguma pressão na seringa até aparecer uma gota na ponta do distribuidor. Limpe-a cuidadosamente (ponta frágil) usando um papel com acetona. As gotas devem agora começar a vir. Quando isso ocorre, recomeçar do ponto 1.2.4.
   5. Aumentar a potência do laser para cerca de 66% usando o campo de entrada de corrente 2 Laser e armadilha um droplet. Desmarque a opção Drops2 tão logo uma gotícula é preso.
      Nota: A Figura 5 mostra uma gotícula capturada no ambiente experimental. O ponto verde inferior corresponde a gota real, enquanto a superior é seu reflexo no vidro da célula em que a gota está localizada. A partir deste momento, será que a gota presa agora é fotografada para o PSD.
3. Determine o tamanho de uma gota.
   1. Ajuste a potência do laser até a posição do PSD é o mais próxima possível de zero.
      Nota: como as gotas podem ser presa abaixo ou acima de posições de captura anterior, consoante a potência do laser ou do tamanho e peso. Esta etapa é executada para mover a imagem da gota para o centro do PSD.
   2. Observar o padrão de difração criado na tela (ver Figura 1). Tire uma foto com a câmera da web que está posicionada para observar a tela de baixo.
      Nota: O padrão é causado pela luz laser difratado pela gota presa.
   3. Use as imagens para determinar distâncias a partir da linha marcada 1 ou dois mínimos arbitrários na imagem. A distância é positiva se for mais longe da gota do que a linha marcada 1, mais negativo. Em seguida, adicione 40 cm para ambas as distâncias. Chame o mais curto um₁e o mais longo um₂. Use 1 equação para calcular o tamanho da gota:
      (1)
      onde, x é a distância vertical entre a gota na tela (x = 23,5 cm), λ é o comprimento de onda da luz do laser (λ = 532 nm) e Δn é o número de franjas (inteiro) entre as duas taxas mínimas usado no cálculo.
      Nota: Quando o droplet é imaginado no meio do PSD, a distância (x), a gota na tela é 23,5 ± 0,1 cm. Uma explicação mais detalhada do processo pode ser encontrada na obra de J. Swithenbank et al . ⁶.
4. Determine a polaridade da carga da gota.
   1. Escolha a aba executar à direita das variáveis EJS e defina o campo E DC control2 + 2 V (ver Figura 3). Tenha cuidado, uma vez que a tensão sobre o eletrodo é agora 200 V.
      Nota: A polaridade da carga da gota é determinada pela observação de como a gota responde a um campo elétrico vertical aplicado. Um esboço de como o campo elétrico é aplicado pode ser visto na Figura 6
5. Determinar a carga da gota
   Nota: Para calcular a carga da gota, é necessário primeiro a medir o tamanho da gota. O peso da gota então pode ser determinado, uma vez que a densidade do líquido é conhecida. A Figura 7 descreve o procedimento de forma esquemática.
   1. Defina o campo E DC control2 como zero.
   2. Estimar e observe um valor médio para o cargo de gota pelo rastreamento de Posição de PSD normalizar no Gráfico de forma de onda.
   3. Observe o valor da potência do laser. Esse valor será F_Rad1 na equação 2.
   4. Defina o campo E DC control2 entre + 1 e + 5 Volts ou -1 e -5 Volts para que a gota se move para cima. A gota está agora em uma nova posição. Lentamente, reduza a potência do laser até a gota está de volta à sua posição original, como observado na etapa 1.5.2. Escreva a nova potência do laser (F_Rad2).
      Se a gota for perdida, verificar Drops2 e recomeçar do passo 1.2.4.
   5. Use o procedimento a seguir para calcular a carga. Primeiro, calcule a força do campo elétrico:
      (2)
   6. Determinar o custo absoluto usando a expressão
      (3)
      Aqui, d é a distância entre os eléctrodos e U é a tensão aplicada.

2. protocolo de experimentação remoto

1. O laboratório remoto de acesso.
   1. Abrir UNILabs página da Web em um navegador da web: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. Se necessário, selecione o idioma desejado. A opção é encontrada no primeiro item do menu sob o cabeçalho.
   3. Fazer login com os seguintes dados:
      Nome de usuário: teste
      Senha: teste
      Nota: O quadro de logon está sob a informação notícias e introdução de página da Web.
   4. Na área do curso, junto à área de login, clique esquerdo no logotipo da Universidade de Gotemburgo (GU).
   5. Clique em Levitação óptica para acessar o material desta experiência.
   6. Acesso remoto laboratório clicando no Laboratório remoto de levitação óptica. Depois disso, certifique-se que o quadro principal da página da Web mostra a interface do usuário do laboratório remoto, como mostrado na Figura 8.
2. Ligue para o laboratório de óptica levitação.
   Nota: Todas as instruções aqui consulte a Figura 8.
   1. Clique no botão Connect . Se a conexão for bem-sucedida, o texto do botão será alterado para conectado.
      Nota: Quando um usuário se conecta ao laboratório remoto, ele emite um sinal acústico que avisa a outras pessoas na área circundante, que alguém vai poder sobre e manipular o laser remotamente.
   2. Clique em localizar as gotas e verificar que os dados do PSD está a ser recebidos.
      Nota: Como não há nenhum gotículas capturadas neste ponto, o valor obtido não é relevante.
   3. Clique em visão geral para identificar todos os elementos da instalação: o laser, o dispensador de gota, a célula de captura e o PSD.
3. Uma gotícula de armadilha.
   Nota: Todas as instruções aqui consulte a Figura 8.
   1. Uma vez que o laboratório remoto está conectado, clique no botão prendendo as gotas para visualizar a pipeta e o bocal de dispensador de gotículas.
   2. Clique no botão de ligar do laser para estabelecer a conexão ao laser.
      Nota: O laser é iniciado manualmente e independentemente do resto dos instrumentos porque pode danificar o meio ambiente se não estiver alinhada corretamente.
   3. Defina a potência do laser em torno do primeiro trimestre da faixa de controle, que está situada sob o botão de ligar do laser . Espere até que a luz verde é visível.
   4. Verifique o alinhamento do laser.
      Nota: Se o laser estiver alinhado corretamente, um feixe fino de luz verde será visto. Caso contrário, será percebida uma mancha verde dispersa. Em caso de alinhamento incorreto, desligar o sistema e entre em contato com os serviços de manutenção do laboratório. Para entrar em contato com os serviços de manutenção, clique no ícone que representa uma bolha do discurso, localizado no canto superior esquerdo da página da Web UNILabs. Clique sobre a mensagem do usuário Admin , escreva a mensagem na parte inferior, descrevendo o problema e clique em Enviar. Isso normalmente não acontece, uma vez que todas as ópticas são fixos.
   5. Aumente a potência do laser para 3/4 da barra.
      Nota: Uma potência de 60% (550 mW) é suficiente para capturar e manter uma gotícula levitava.
   6. Pressione o botão Start cai para ligar o dispensador de gotículas.
   7. Cuidado com a imagem de webcam e esperar até que um flash é produzido. Naquele momento, foi capturado um droplet. Verifique a imagem da webcam novamente e verificar que uma gotícula está levitando no centro da célula de armadilhagem. Pressione a tecla Stop gotas para desligar o dispensador de gotículas.
      Nota: Opcionalmente, é possível obter uma gota maior capturando vários deles e esperam fundir-se com aquele já capturado. É preciso ter em mente que, se vários são apanhados, os aumentos de massa da gota para que a potência do laser pode não ser suficiente para mantê-lo levitava.
4. Determine o tamanho de uma gota.
   Nota: Todas as instruções aqui referem-se a Figura 9.
   1. Pressione o botão de gotículas de dimensionamento para observar o padrão de difração formado pela gota presa.
   2. Siga o mesmo procedimento como o protocolo de experimentação hands-on (etapa 1.3) para determinar o tamanho da gota, por meio do padrão de difração.
5. Determinar a polaridade da carga da gota.
   Nota: Todas as instruções aqui referem-se a Figura 10.
   1. Clique no botão gotículas de rastreamento para exibir o gráfico do PSD e a exibição de webcam da pipeta.
   2. Clique na guia no canto inferior esquerdo da interface do usuário de campo elétrico .
   3. Defina a tensão DC de 100 V. Para fazer isso, clique no campo numérico à direita do rótulo DC (V) e digite o valor de 100.
   4. Verifique o gráfico PSD, mostrando a posição de gota e observar se a gota se move para cima ou para baixo quando o campo elétrico é aplicado.
      Nota: A polaridade das placas é arranjada para que se uma tensão positiva é aplicada, uma gota carregada negativamente se moverá para baixo e uma gota carregada positivamente se moverá para cima.
   5. Agora altere o valor do campo elétrico e verifique se a gota se move na direção oposta; para este fim, introduza -100 no campo numérico de DC (V) .
6. Determine a carga da gota.
   Nota: Todas as instruções aqui referem-se a Figura 10.
   1. Tendo uma gotícula presa, clique no modo de exibição gotículas de rastreamento .
   2. Selecione o menu de campo elétrico .
   3. Defina o campo elétrico DC a zero com o campo numérico de DC (V) .
   4. Estimar e observe um valor médio da posição da gota, dada pelo gráfico e observe a potência do laser.
   5. Defina o campo elétrico DC para um valor entre +500 V e -500 V para fazer a gota mudar sua posição.
   6. Reduzir ou aumentar a potência do laser com o controle deslizante até que a gota está de volta à sua posição original e anote o novo valor da potência do laser.
   7. Siga o procedimento descrito na etapa 1.5.5 para calcular a carga da gota.

Resultados

Quando o feixe de laser é bem alinhado, e a placa inferior é limpa, as gotas são quase imediatamente preso. Quando uma gota é preso vai continuar na armadilha por várias horas, dando bastante tempo para as investigações. O raio r de gotas é na faixa de 25 ≤ r ≤ 35 µm e a carga foi medida entre 1.1x10 de ±1.1 x10^{-17 -18} C e 5.5x10 de ±5.5 x10^{-16 -17} C. Fica do tamanho de gotas, de acordo com nossas medições, constantes a...

Discussão

Este trabalho apresenta uma instalação para a realização de um experimento de física moderna, na qual as gotas são opticamente levitava. O experimento pode ser realizado um hands-on da forma tradicional ou remotamente. Com o estabelecimento do sistema remoto, estudantes e pesquisadores em todo o mundo podem ter acesso à montagem experimental. Isto também garante a segurança dos usuários, desde que eles não precisam estar na presença de laser de alta potência e campos elétricos necessários para o experiment...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	Laser Quantum		Green laser with adjustable power between 50 mW and 2 W
Lateral Effect Position Sensor	THOR Lab	PDP90A	PSD to sensor the position of the droplet in the pipette
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Mirrors and other elements to control the laser beam
Pipette	Self made		The chamber were the droplet is trapped was specially made for this setup
AC/DC Power supply	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	A power supply to generate the electric field (0V - 500V DC)
Power Distribution Unit	APC	AP7900	A PDU to remotelly connect the lab instrumentation